CN103848997A - 一种pvdf基有机铁电聚合物超晶格制备方法 - Google Patents

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韩莉
孙硕
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孙璟兰
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Abstract

本发明公开一种PVDF基有机铁电聚合物超晶格制备方法。将PVDF基有机铁电聚合物溶入二甲基亚砜溶液中，通过朗缪尔-布罗基特方法，交替厚度可调节地将不同的PVDF基有机铁电聚合物转移至衬底上，经过退火处理，去除界面残留溶剂及保证超晶格具有良好结晶特性，形成一种PVDF有机聚合物超晶格结构。本发明制备PVDF基有机铁电聚合物超晶格，方法及工艺简单，可精确控制单层薄膜厚度，为研究PVDF基有机铁电聚合物超晶格结构的奇特相变、电学及光学特性以及相关器件提供了保证。

Description

一种PVDF基有机铁电聚合物超晶格制备方法
技术领域
本发明涉及有机聚合物类超晶格薄膜的制备技术，具体指一种基于聚偏氟乙烯基有机铁电聚合物超晶格的制备方法。
背景技术
超晶格的概念是于上世纪70年代提出的，其定义是运用两种晶格匹配较好的半导体材料交替地生长周期性结构，单层的厚度控制在几个至几十个纳米以下，电子在沿生长方向传播或产生振荡。超晶格可以分为组分超晶格，掺杂超晶格，多维超晶格以及应变超晶格等。超晶格是基于半导体材料提出的，然而随着薄膜制备技术的发展和进步，如分子束外延，脉冲激光溅射沉积，原子层沉积，金属有机化学气相沉积以及朗缪尔-布罗基特等薄膜生长技术。近年来，越来越多的材料体系可以制备成超晶格结构。
超晶格结构由于其单层厚度可以控制，其几何尺寸具有量子化效应，该结构可以广泛应用于光电器器件中。已经有大量关于超晶格量子阱在光电子器件中的应用，如量子阱激光器以及超晶格光探测器等。近年来，随着有机材料体系的发展，也有关于有机半导体超晶格的报道，如3,4,9,10-苝四羧酸二酐（PTCDA）与3,4,7,8-萘四甲酸二酐（NTCDA）超晶格(Physica Scripta.T49,699-705,1993)，富勒烯衍生物（PCBM）与扩展的四硫富瓦烯（exTTF）（NanoLetter，7,2602-2607（2007））也有关于氧化物体系超晶格的报道，如铁电超晶格BaTiO3/SrTiO3（Nature433,395–399(2005).）在有关于铁电超晶格的报道中，超晶格结构可以增强铁电极化特性。
铁电材料，是一类在某温度范围内具有自发极化，而且自发极化强度随外电场变化而变化的一类材料是近年来研究的一类热点材料。近年来，基于聚偏二氟乙烯（简称为PVDF），聚偏二氟乙烯和三氟乙烯的共聚物(简称P(VDF-TrFE))是一种性能优良的铁电聚合物材料，可以被广泛应用于能量传导，信息存储以及红外探测的功能材料。同时它具有较低的介电常数、低弹性系数和低密度，也是制备传感器的理想材料。对于该类聚合物铁电材料的超晶格结构的研究尚未开展，
随着传感器和微机电器件的发展，现今对器件的性能提出了更高的要求。基于该类材料超晶格结构的制备和物性，及其相关器件的研制，越来越多的受到广泛关注。本发明将基于PVDF基铁电聚合物为基础材料，发明一种基于朗缪尔-布罗基特技术制备于PVDF基铁电聚合物超晶格的工艺过程。该方法制备聚合物超晶格结构，制备工艺简单，可室温制备。同时可通过调整提拉次数从而方便控制超晶格结构，易于制备不同周期的超晶格结构薄膜，从而能拓宽该类超晶格结构的基础研究和其应用领域。
发明内容
本发明提出一种PVDF基有机铁电聚合物超晶格制备方法，实现了有机铁电聚合物超晶格结构的制备。
1.一种PVDF基有机铁电聚合物超晶格制备方法。其特征包括以下步骤：
（1）将衬底材料清洗干净保证其表面的平整度，并做表面疏水处理；
（2）将不同PVDF基有机铁电聚合物溶液滴均匀铺入朗缪尔-布罗基特设备已经注入静置超纯水的液体槽中，待PVDF基有机铁电聚合物均匀分布在液面，并通过挤压成膜的液面，通过控制液面表面压力使薄膜成膜连续；
（3）将连续薄膜通过水平转移朗缪尔-布罗基特方法转移至衬底上，通过交替转移不同PVDF基有机铁电聚合物薄膜，重复一定周期，并将生长的交替薄膜经过退火处理，薄膜的退火温度为110-135℃，维持4小时后，冷却至室温，便形成PVDF基有机铁电聚合物超晶格结构。
步骤（1）中所述的衬底材料为石英玻璃，氧化物单晶，硅基片或有机薄膜材料，衬底的表面粗糙度低于3纳米。
步骤（2）中所述的PVDF基有机铁电聚合物为：聚偏氟乙烯单聚物，聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物或聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯三聚物。
步骤（2）中所述的PVDF基有机铁电聚合物溶液的溶剂为二甲基亚砜，其溶液浓度的质量百分含量为0.01%。
步骤（2）中所述的超纯水的电阻为18.2兆欧姆，液面表面压控制在5毫牛顿每米。
本发明的优点在于制备一种基于聚偏氟乙烯（PVDF）铁电聚合物材料的超晶格结构，利用该方法制备铁电聚合物超晶格，其工艺简单，成本低，易于制备不同周期结构的有机铁电聚合物超晶格。
附图说明：
图1为PVDF基聚合物超晶格制备示意图。
具体实施方式：
下面将是结合附图1，表述本发明的具体实施方法，分为三个实施例进行具体表述。具体步骤依次为：
实施例1:
将衬底材料清洗干净保证其表面的平整度，并做表面疏水处理；衬底材料可为石英玻璃。运用硬脂酸铁在其表面反复擦拭，用脱脂棉擦去表面附着的硬脂酸铁残留，后用去离子水将石英玻璃衬底冲洗干净。
将PVDF基聚合物P(VDF-TrFE)和PVDF基聚合物P(VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物分别溶于二甲基亚砜溶液中，其溶液浓度为质量百分含量为0.01%。
分别将P(VDF-TrFE)和P(VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物二甲基亚砜溶液均匀铺入两台朗缪尔-布罗基特设备已经注入静置超纯水的液体槽中，超纯水电阻为18.2兆欧姆，待有机铁电聚合物均匀分布在液面，并通过挤压成膜的液面，通过控制液面表面压力至5毫牛每米,使薄膜成膜连续；
其中所述超纯水电阻为18.2兆欧姆。
将连续薄膜通过水平转移朗缪尔-布罗基特方法转移至石英衬底上，通过交替转移P(VDF-TrFE)和P(VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物薄膜，并重复一定周期，可得到一定厚度的交替薄膜，并将生长的交替薄膜经过退火处理4小时，退火温度为110℃，冷却至室温，可形成PVDF基有机铁电聚合物超晶格结构。
实施例2:
将衬底材料清洗干净保证其表面的平整度，并做表面疏水处理；衬底材料可为石英玻璃。运用硬脂酸铁在其表面反复擦拭，用脱脂棉擦去表面附着的硬脂酸铁残留，后用去离子水将石英玻璃衬底冲洗干净。
将PVDF基聚合物P(VDF-TrFE)和PVDF基聚合物P(VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物分别溶于二甲基亚砜溶液中，其溶液浓度为质量百分含量为0.01%。
分别将P(VDF-TrFE)和P(VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物二甲基亚砜溶液均匀铺入两台朗缪尔-布罗基特设备已经注入静置超纯水的液体槽中，超纯水电阻为18.2兆欧姆，待有机铁电聚合物均匀分布在液面，并通过挤压成膜的液面，通过控制液面表面压力至5毫牛每米,使薄膜成膜连续；
其中所述超纯水电阻为18.2兆欧姆。
将连续薄膜通过水平转移朗缪尔-布罗基特方法转移至石英衬底上，通过交替转移P(VDF-TrFE)和P(VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物薄膜，并重复一定周期，可得到一定厚度的交替薄膜，并将生长的交替薄膜经过退火处理4小时，退火温度为135℃，冷却至室温，可形成PVDF基有机铁电聚合物超晶格结构。
实施例3:
将衬底材料清洗干净保证其表面的平整度，并做表面疏水处理；衬底材料可为石英玻璃。运用硬脂酸铁在其表面反复擦拭，用脱脂棉擦去表面附着的硬脂酸铁残留，后用去离子水将石英玻璃衬底冲洗干净。
将PVDF基聚合物P(VDF-TrFE)和PVDF基聚合物P(VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物分别溶于二甲基亚砜溶液中，其溶液浓度为质量百分含量为0.01%。
分别将P(VDF-TrFE)和P(VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物二甲基亚砜溶液均匀铺入两台朗缪尔-布罗基特设备已经注入静置超纯水的液体槽中，超纯水电阻为18.2兆欧姆，待有机铁电聚合物均匀分布在液面，并通过挤压成膜的液面，通过控制液面表面压力至5毫牛每米,使薄膜成膜连续；
其中所述超纯水电阻为18.2兆欧姆。
将连续薄膜通过水平转移朗缪尔-布罗基特方法转移至石英衬底上，通过交替转移P(VDF-TrFE)和P(VDF-TrFE-CFE)有机铁电聚合物薄膜，并重复一定周期，可得到一定厚度的交替薄膜，并将生长的交替薄膜经过退火处理4小时，退火温度为120℃，冷却至室温，可形成PVDF基有机铁电聚合物超晶格结构。

Claims (5)

1.一种PVDF基有机铁电聚合物超晶格制备方法，其特征包括以下步骤：
（1）将衬底材料清洗干净保证其表面的平整度，并做表面疏水处理；
（2）将不同PVDF基有机铁电聚合物溶液滴均匀铺入朗缪尔-布罗基特设备已经注入静置超纯水的液体槽中，待PVDF基有机铁电聚合物均匀分布在液面，并通过挤压成膜的液面，通过控制液面表面压力使薄膜成膜连续；
（3）将连续薄膜通过水平转移朗缪尔-布罗基特方法转移至衬底上，通过交替转移不同PVDF基有机铁电聚合物薄膜，重复一定周期，并将生长的交替薄膜经过退火处理，薄膜的退火温度为110-135℃，维持4小时后，冷却至室温，便形成PVDF基有机铁电聚合物超晶格结构。
2.根据权利要求1所述的一种PVDF基有机铁电聚合物超晶格制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的衬底材料为石英玻璃，氧化物单晶，硅基片或有机薄膜材料，衬底的表面粗糙度低于3纳米。
3.根据权利要求1所述的一种PVDF基有机铁电聚合物超晶格制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的PVDF基有机铁电聚合物为聚偏氟乙烯单聚物，聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物或聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯三聚物。
4.根据权利要求1所述的一种PVDF基有机铁电聚合物超晶格制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的PVDF基有机铁电聚合物溶液的溶剂为二甲基亚砜，其溶液浓度的质量百分含量为0.01%。
5.根据权利要求1所述的一种PVDF基有机铁电聚合物超晶格制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的超纯水的电阻为18.2兆欧姆，液面表面压控制在5毫牛顿每米。
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